0 引言

我国经济社会的快速发展对于绿色、安全、高效能源的需求愈加迫切，随着能源及电力体制等供给侧结构性改革的不断深入，对区域综合能源服务的需求越来越旺盛。园区综合能源系统是开展综合能源服务的基础，相关技术的研究已成为当前热点。由于电力、热力、天然气等能源系统之间存在极大的差异，国内已投运的综合能源系统规模小、数量少，积累的经验也不够丰富。本文从园区（客户）对于能源供应及使用方面的本质需求出发，关注于不同种类能源之间的可替代性和可解耦性，为科学合理地规划、设计区域综合能源系统，深入开展相关技术研究工作提供参考。

1 能源互联网介绍

综合能源系统属于能源互联网范畴，在能源革命、“互联网+”和创新驱动等国家战略的背景下，研究能源互联网关键技术、推动综合能源系统的健康、快速发展，具有非常重要的意义。

1.1 现状

能源互联网作为具有重大影响的新生事物，其概念、特征、架构、技术要点等关键事项还在讨论、研究过程中。文献[1]从技术角度给出了能源互联网的定义，认为“能源互联网是以电力系统为核心，以互联网及其他前沿信息技术为基础，以分布式可再生能源为主要一次能源，与天然气网络、交通网络等其他系统紧密耦合而形成的复杂多网流系统”。能源互联网以智能电网为基础，与天然气、热力、供冷、交通等系统在能源生产、传输、分配、转换、存储、消费等各环节进行耦合与协调运行，与互联网、物联网、交通网等网络进行紧密集成，从而实现社会能源系统的开放、协同、共享、安全、灵活运营，以清洁、高效的能源支撑社会的可持续发展。

1.2 主要特征

能源互联网与智能电网的持续发展和推进密不可分。为满足经济社会对绿色、高效能源的多样化需求，智能电网逐渐与其他多种能源系统进行耦合，并通过与信息通信技术（Information Communications Technology，ICT）进一步密集集成，逐步形成了社会能源系统中一种新的发展形态和模式——能源互联网，其主要有以下特征：

（1）支持多种能源的开放互联、自由传输；

（2）支持高比例可再生能源的接入和消纳；

（3）属于集中和分布相结合的多智能体自组织网络；

（4）是集能源、信息、通信和用能于一体的新型互联网；

（5）支持以市场机制为主导的多种能源实时交易。

1.3 关键技术

多种能源的互联，在物理层面的关键在于各种能源的获取和转换，包括风机、光伏、光热、冷热电三联供、热泵、电制冷、电制热、电制氢、电转气^[2-3]、电吸水^[4-5]、电动汽车^[6]等技术，还有大量的新技术仍在不断完善，如低风速风机、新材料光伏、含储热的光热电站、微型燃料电池等。多种能源开放互联促使不同能源系统开始耦合，在规划和运行层面需要综合考虑不同能源系统间的相互作用，使得能源互联网的规划成为一个十分复杂的多目标、多约束、非线性、随机不确定混合整数组合的优化问题，本质上属于非确定性多项式问题。运行中的能源互联网又将是一个具有超高维、多时标、强非线性和随机性的复杂动力系统，是在原有电网、热网、天然气网模型以及相关能源生产、转换和负荷模型基础上构建出的混合模型。

能源互联不仅仅是要通过数据和信息的连接实现能源系统及其元件的互联，还要实现多种能源系统的能源流以及信息流的互联。能源互联网最终将成为能源与信息相互融合的万物互联网，是互联网、物联网的理念在能源领域的进一步发展。因此，能源互联网是能源网与ICT的深度融合，是学科交叉的集中地，而综合能源系统是能源互联网发展的必经之路，只是能源互联网发展的初级阶段。

2 综合能源系统技术原理 2.1 与能源互联网的关系

综合能源系统是当前阶段能源互联网在某个区域的具体实现形式，图 1为综合能源系统与能源互联网关系示意图。如图 1所示，从电力系统视角来看，电网沿着智能电网、新一代电力系统、能源互联网的方向不断发展，而从用能视角来看，综合能源系统从单一到融合、从局部到整体，从小到大，向能源互联网方向逐步演进。总的来说，从实现路径来看，综合能源系统是电网在能源互联网概念指引下，逐步融合其他能源系统所进行的具体实践^[7-15]。目前来看，为满足经济社会在能源开发、利用方面的各种需求，构建灵活的、适应性强的综合能源系统，是解决现实能源问题的最佳选择。通过逐步建设小级别的区域综合能源系统，最终将形成跨地区、跨区域乃至更大范围内的能源互联网。

2.2 能源生产、转换和储存

综合能源系统通过电能、天然气、热能、冷能之间的相互转换，将某一区域内电网、天然气管网和冷热管网等进行耦合，从而实现不同能源的转换利用、互补耦合和协同优化。综合能源系统主要包括能源生产、能源转换与消费、能源存储等3类基础系统，其原理如图 2所示。

能源转换元件主要有燃气三联供机组、溴化锂吸收式制冷机、电制冷机等。热泵技术是通过电力做功将低品位热能提升为可被利用的高品位热能，实现冷热之间的转换；电转气（Power to Gas，P2G）技术则利用电解水反应实现制氢，氢气经催化剂作用与二氧化碳发生反应生成甲烷，实现电-气（氢气、天然气）的转换。

P2G作为1种极具竞争力的新技术，可以使能量从电力系统流向天然气系统，与燃气发电、燃气三联供机组相结合实现能量的双向流动，极大地加强了电-气耦合强度。电转气既为提高可再生能源并网能力提供了新的解决方案，也成为二氧化碳资源化利用的1个新技术选项。目前，电转气的投资成本与化学电池储能相当，但运维费用是电池储能的3~5倍。

2.3 技术难点

目前，在综合能源系统规划、运行及能源交易等理论和体系建设研究方面，主要存在以下难点。

2.3.1 多能耦合系统统一模型的构建

综合能源系统涉及形式和特性各异的多种能源系统和单元，既包含已经被深刻认识、相对易于控制的常规能源，也包含具有间歇性相对突出和难以控制的新能源；既包含难以大量存储的电能，也包含易于存储的天然气和热能；不同能源系统动态过程的时间常数差异非常大，电力系统的时间常数为毫秒级、秒级，而天然气、热力系统的时间常数在小时级别，相差4到6个数量级，使得构建统一的多能耦合系统的数学模型非常困难。

2.3.2 高效能源转换元件的研制和应用

研发新的能源转换技术和装置，不断提高电、气、热、冷相互转换的效率以及存储和释放的效率，以提高系统控制性能，降低运维费用，这些课题将是长期的研究热点。

目前，电锅炉将电能转换成热能时效率最高可达99.5%；燃气轮机的发电效率最高约60%；利用冷热电三联供实现能源梯级利用，综合能源利用效率达70%以上；热泵的COP值一般在1.2~1.5；P2G总效率在50%左右。

2.3.3 先进能源交易市场理论和机制的构建

科学合理的市场机制设计是综合能源系统体现其价值的重要制度保障。多能耦合与能源转换必然使能源交易的基础发生巨大变化，当前的能源交易理论和市场机制建设远远不能满足综合能源系统建设和服务的需要，能源交易的理论研究须先行。如何设计多种能源共同交易的市场机制，研究多种能源价格形成机制和交易机制，也是目前的研究难点之一。

3 以用能本质需求为导向的园区综合能源系统规划 3.1 园区综合能源需求分析 3.1.1 社会需求

一个区域的综合能源系统一般以配电系统为核心，融合中低压天然气系统、供冷、供热、供水系统及城市交通系统等，应用各种分布式发电、能源转换及存储、信息通信、大数据等先进技术，使多种能源在源—网—荷—储—用的各环节实现耦合优化运行，为客户提供灵活、低碳、安全、高效的能源服务。区域综合能源规划中所指区域可以是1个工业园区或开发区，也可以是1个城市。

2015年以来，新一轮电力体制改革不断走向纵深，连续出台了一系列鼓励新增配网、园区综合能源项目相关政策。这些政策使我国各地对在园区、区域、新增配网项目中开展综合能源系统的建设需求猛增。近两年，国家发展和改革委员会、国家能源局批复了2批共294个新增配电网业务改革试点示范项目^[16-17]，28个新能源微电网示范项目^[18]，56个“互联网+”智慧能源示范项目^[19]，23个多能互补集成优化示范工程^[20]。截至目前，我国已经设立了19个国家级新区、11个自贸试验区、219家国家级经济技术开发区和工业园区、156家国家级高新技术产业开发区、1167家省级工业园区，这些试点项目和各类园区对构建综合能源系统、支撑区域低碳高效发展的期望十分迫切。

3.1.2 用能本质需求

通过对国内外相关课题研究结果进行提炼总结，结合国内众多微电网示范项目、区域能源规划项目等实践经验，本文提出“用能本质需求”的概念。用能本质需求不同于一般所指的对于电、天然气等某一种能源的简单需求，而是指为全面满足人们在生产生活中对于温度、亮度、速度、可控性等方面的要求所产生的，为实现区域能源综合效益最大化、实现某些具体功能而提出的用能需求。

简单地说，一般的用能需求可以归结为是对电、气、热、冷等的需求，这些能源需求之间是可以转换的，是具有可替代性的。而用能的本质需求则以提高能源综合利用效率、降低能源使用费用为根本目的，不拘泥于能源品位方面的认知惯性，充分利用各种能源资源的可获得性，依靠先进的能源转换和替代技术，满足用户用能的根本需要。

只要有助于提高产品品质，提升产能，改善用能体验，提高用能效率，不执着于能源的“品位”高低，也不执着于必须使用某一种具体形式的能源，这是用能本质需求的重要理念之一。在新能源的比例不断提升的今天，能源“品位”的界限已经被打破，能源成本随着技术进步也在发生显著变化，因此，“宜电则电，宜气则气，宜煤则煤”，这是对用能本质需求的最直接、最形象的解释。

3.2 园区综合能源系统规划 3.2.1 规划的重点工作任务

园区综合能源系统的规划需重点开展以下3个方面的工作：

（1）充分挖掘当地资源禀赋，尽量降低对大规模远距离外来能源输送的依赖；

（2）深入用户内部分析用能的本质需求，充分利用先进能源转换和循环利用技术，满足用能本质需求；

（3）合理利用不同能源系统的惯性差异，优化配置储能及能源转换装置，通过综合能源系统的解耦分析和分散决策，实现复杂能源系统的解耦规划。

3.2.2 以用能本质需求为导向开展区域能源需求分析

以用能本质需求为导向开展区域的能源需求分析是做好区域综合能源规划的基础。

（1）调查区域内各用能客户的用能需求，并根据生产工艺、负荷特征等进一步分析不同能源需求之间是否具有可替代性，以及在改进生产工艺或者技术升级后，电代气、电代热等能源替代可能达到的比例。

（2）绘制区域内客户的用电、用气、用热、用冷的日最大负荷、日负荷率、典型日负荷、日峰谷差、年最大峰谷差、年负荷曲线等进行分析，并根据主要用户的用能发展趋势对未来的用能需求进行科学预测。

（3）结合上述资料，在考虑合理能源替代的情况下，对区域能源需求进行总体分析和预测。

3.2.3 综合能源规划的解耦

对于多目标、多约束、非线性、超高维、多时标的区域综合能源规划而言，目前可行的方法是进行解耦分析，利用电力系统与天然气、供冷、供热系统在易存储性和系统惯性方面存在的巨大差异进行分散决策。

首先，供热、供冷系统的巨大惯性是进行解耦分析的基础。供热、供冷时无需实时满足供需平衡。例如，对于居民供热，仅需满足供热温度在某一区间内即可，可通过灵活安排热电联产、电锅炉、热泵等多种方式使供热满足设定温度，供热系统惯性为电力系统的运行提供了灵活性。事实上，利用热力管网的热惯性，可以一定程度上实现热-电解耦规划或解耦运行，提高综合能源系统运行的灵活性和可靠性。

其次，合理设置各种储能系统是保障综合能源系统正常解耦的有力工具。化学储能电池、飞轮储能、蓄热水罐、固体蓄热、冰蓄冷等储能系统能够帮助综合能源系统实现解耦运行，同时为系统带来了需求响应能力和削峰填谷能力，提高了可再生能源在当地的消纳能力。目前，越来越多的火电、储能联合调频的成功案例，在打破“以热定电”的约束方面取得成效，为区域能源系统解耦规划提供了新方法。

第三，利用能源转换技术实现解耦。例如，天然气发电（热电联产）、电转气、电锅炉的运行过程是电、气、热相互转换的互逆过程，虽然他们分别是电-气耦合的，但是将其组合在一起使用也能够实现电与气的解耦。电锅炉在风电供暖和提高燃煤电厂运行灵活性方面已经取得了非常好的使用效果。承压电极式电锅炉是1种体积小、调节速度快的高性能锅炉，在几十秒内可以完成零负载到满负载（可达100 MW）的调节，作为灵活响应的“电力负载”，还能为电网提供调频调峰服务。电转气装置能够将电力系统中的不确定性转移到不确定性容纳能力更强的天然气系统中，提高了综合能源系统的协调运行能力。

4 综合能源系统应用实例

目前，我国在建、拟建的园区综合能源系统数量众多。每个区域或园区综合能源系统的规划设计都应尽可能地挖掘和发挥当地能源、资源优势，统筹考虑对外部能源输入的依赖程度；另外，在社会发展过程中，能源的供应侧与需求侧是相互影响的，通过市场和价格机制的调节作用，不能适应变化的需求可能会离开，同时也可能会吸引新需求进入，需要对综合能源系统的未来发展做好科学判断。

广东某沿海城市，是珠江三角洲海洋经济优化发展区和粤港澳海洋经济合作圈海岸带上的重要节点，该市的城市新区综合能源系统构成示意图如图 3所示。其新区综合能源系统的规划采用了基于需求侧的能源规划原则和思路，规划阶段就建立了需求侧能源管理规范，同时充分利用新区丰富的海水源、污水源、地热和风光资源，以及天然气的易获得性，合理布置分布式发电、储能、热交换等具有调节能力和能源转换功能的装置，有效提高了系统的灵活性、安全性和可扩展能力，使得新区在综合能源系统的支撑下，成为1个有生命力、可持续发展的有机体。

张家口地区众多多能互补示范项目、微电网示范项目规划的设计重点是充分利用当地丰富的风光资源和生物质资源，通过风电供暖满足冬季供暖需求；同时吸引旅游、服务、加工制造、仓储物流等，对负荷具有一定调节和适应能力的企业进入园区。能源的供应和需求形成互动，使得这些园区的发展独具特色。

大庆市的能源规划同样注重当地资源禀赋的利用，制订了以风能、太阳能为主，地热能、生物质能为辅的可再生能源综合利用方案，远景规划了96座不同类型的能源站，使得新能源在当地的消纳能力提高至10 GW。

5 结束语

目前，随着国家鼓励园区综合能源系统开发多项政策的出台，各地方正积极开展综合能源系统的规划与建设工作，学术界针对构建多能耦合系统的统一模型、高效能源转换技术及装置、新的能源交易市场理论等方面的关键技术难题也开展了广泛、深入的研究，跨越复杂系统的解耦分析过程。这些工作的不断推进，将帮助我国尽快走出能源互联网的初级阶段。建议各地加快能源市场化改革进程，积极推进能源交易市场建设，建立支持综合能源系统建设、鼓励综合能源服务产业发展的政策环境，为实现能源“4个革命”走出新路、打下基础。